《移动通信》复习大纲1

移动通信复习大纲问题一1 3G 移动通信系统的三个正式标准是2 移动通信的运行环境十分复杂：电波不仅会随着传播距离的增加而发生弥散 损耗（或者：路径损耗）。会受到地形、地物的遮蔽而发生“阴影效应” 信号经过多点反射，会从多条路径到达接收地点，这种多径信号的幅度、相位和到达时间都不一样，它们相互叠加会产生电平衰落和时延扩展。其次，移动 通信常常在快速移动中进行，这不仅会引起多普勒（Doppler ）频移，产生随机 调频，而且会使得电波传播特性发生快速的随机起伏，严重影响通信质量。如何提高通信系统的通信容量，始终是移动通信发展中的焦点。为了解决这 一矛盾，一方面要开辟和启用新的频段；另一方面要研究各种新技术和新措施， 以压缩信号所占的频带宽度和提高频谱利用率。3 移动通信有以下多种分类方法： 按使用对象可分为民用设备和军用设备； 按使用环境可分为陆地通信、海上通信和空中通信； 按多址方式可分为频分多址（FDMA）、时分多址（TDMA）和码分多址 （CDMA） 等； 按覆盖范围可分为广域网和局域网； 按业务类型可分为电话网、 数据网和多媒体网； 按工作方式可分为同频单工、异频单工、异频双工和半双工； 按服务范围可分为专用网和公用网； 按信号形式可分为模拟网和数字网。4 移动通信基本上围绕着两种主干网络在发展，这就是基于话音业务的通信网 络和基于分组数据传输的通信网络。5 分组是由若干比特组成的信息段，通常包含“包头”和“正文”两部分。（包 头中含有该分组的源地址（起始地址）、宿地址（目的地址）和有关的路由信息 等；正文是真正需要传送的信息。6 第二代移动通信是数字移动通信，其中的关键技术之一是数字调制技术（对 数字调制技术的主要要求是： 已调信号的频谱窄和带外衰减快（即所占频带 窄，或者说频谱利用率高）；易于采用相干或非相干解调；抗噪声和抗干扰的 能力强；以及适宜在衰落信道中传输。7 数字信号调制的基本类型：振幅键控（ASK）、频移键控（FSK）和相移键控 （PSK）（8 在移动信道中， 发送到接收机的信号会受到传播环境中地形、 地物的影响 而产生绕射、 反射或散射， 因而形成多径传播（ 多径传播将使接收端的合 成信号在幅度、 相位和到达时间上发生随机变化， 严重地降低接收信号的 传输质量， 这就是所谓的多径衰落（9 通常认为：TDMA系统的通信容量大于FDMA系统，而CDMA系统的通信容量 又大于FDMA和TDMA系统。10 移动通信系统中采用的抗干扰措施是多种多样的，主要有：(1)利用信 道编码进行检错和纠错(包括前向纠错FEC和自动请求重传ARQ)是降低通信 传输的差错率，保证通信质量和可靠性的有效手段；(2)为克服由多径干扰 所引起的多径衰落， 广泛采用分集技术(包括空间分集、 频率分集、 时间 分集以及RAKE接收技术等)、自适应均衡技术和选用具有抗码间干扰和时延 扩展能力的调制技术(如多电平调制、多载波调制等)。(3)为提高通信系统 的综合抗干扰能力而采用扩频和跳频技术； (4)为减少蜂窝网络中的共道 干扰而采用扇区天线、多波束天线和自适应天线阵列等；(5)在CDMA通 信系统中， 为了减少多址干扰而使用干扰抵消和多用户信号检测器技术。11 数字蜂窝通信系统的网络结构组成部分为：移动交换中心(MSC)，基站 分系统(BSS)(含基站控制器(BSC)、基站收发信台(BTS),移动台(MS)，归 属位置寄存器(HLR)，访问位置寄存器(VLR)，设备标志寄存器(EIR)，认 证中心(AUC)和操作维护中心(OMC)。网络通过移动交换中心(MSC)还与公共 交换电话网(PSTN)、综合业务数字网(ISDN)以及公共数据网(PDN)相连接。12 移动通信网络的基本组成部分：基站、移动台、移动交换中心、网 络控制中心、 操作维护中心等。13 移动通信网络由若干个基本部分(或称功能实体)组成。在用这些功能实 体进行网络部署时，为了相互之间交换信息，有关功能实体之间都要用接口 进行连接。A/t-第二章14 调制定义：把模拟信号或数字信号变换成适合信道传输的高频信号的过 程。该信号称为已调信号。 解调定义：在接收端将已调信号还原成要传输的原始信号的过程。调制可分：1、模拟调制：可得到调幅(AM)、调频(FM)或调相(PM)。2、数字调制：移频键控(FSK)和移相键控(PSK)等。15 移动通信信道的基本特征是： 一、带宽有限。二、干扰和噪声影响大。 三、存在着多径衰落。16 正交振幅调制(QAM)，通过相位和振幅的联合控制，可以得到更高频谱效率的调制方式。17 扩展频谱(SS, Spread Spectrum)通信简称为扩频通信。扩频通信的定义可简单表述如下：扩频通信技术是一种信息传输方式，在发端采用扩频码调制，使信号所占的频带宽度远大于所传信息必需的带宽，在 收端采用相同的扩频码进行相关解扩以恢复所传信息数据。特点：(1)信号的频谱被展宽了，(2)采用扩频码序列调制的方式来展宽频 谱，(3)在接收端用同样的扩频码序列来解扩。18 扩频通信系统类型：1、直接序列扩频，简称直扩(DSSS, Direct Sequence Spread Spec trum); 2、跳频(FH, Frequency Hopping) ； 3、跳时(TH, Time Hopping) ； 4、各种混合方式19 直接序列的 扩频：直接用具有高码率的扩频码序列(伪随机序列)，在发端，去扩展信号 的频谱。解扩：在收端，用相同的扩频码序列去解扩，把展宽的扩频信号还原成原始 的信息。随机信号：不可预测的，它在将来时刻的取值只能从统计意义上去描述。伪随机信号：实质上不是随机的，而是收发双方都知道的确定性周期信号。之所以称为伪随机序列，是因为它表现出似于白噪声的统计特性，在不知道其生成方法的侦听者看来就像真的随机序列一样。20 在移动信道中，由大量统计测试表明：多径信号服从瑞丽衰落。信号电 平发生快衰落的同时，其局部中值电平还随地点、时间以及移动台速度作比 较平缓的变化，其衰落周期以秒级计，称作慢衰落或长期衰落。 慢衰落近似 服从对数正态分布。所谓对数正态分布， 是指以分贝数表示的信号电平为正 态分布21 在移动通信系统中可能用到两类分集方式： 一类称为“宏分集”； 另一 类称为“微分集”。 “微分集”是一种减小快衰落影响的分集技术。微分集 又可分为下列六种：(1) 空间分集。 空间分集的依据在于快衰落的空间独立性， 即在任意两个 不同的位置上接收同一个信号， 只要两个位置的距离大到一定程度， 则两处所 收信号的衰落是不相关的。(2) 频率分集。 由于频率间隔大于相关带宽的两个信号所遭受的衰落可以 认为是不相关的， 因此可以用两个以上不同的频率传输同一信息，以实现频率 分集。(3) 极化分集。 (4) 场分量分集。 (5) 角度分集。(6) 时间分集：快衰落除了具有空间和频率独立性之外， 还具有时间独立 性，即同一信号在不同的时间区间多次重发，只要各次发送的时间间隔足够大， 那么各次发送信号所出现的衰落将是彼此独立的， 接收机将重复收到的同一信 号进行合并， 就能减小衰落的影响。22 分集技术的合并方式：(1) 选择式合并。 选择式合并是指检测所有分集支路的信号， 以选择其中 信噪比最高的那一个支路的信号作为合并器的输出。(2) 最大比值合并。(3) 等增益合并。 等增益合并无需对信号加权， 各支路的信号是等增益相加的，23 一般分组码用符号(N, k)表示，其中k是每组二进制信息码元的数目， N 是编码组的总位数，又称为码组的长度(码长)。 N-k=r 为每码组中的监督 码元数目，或称为监督位数目。24 一种编码的最小码距 d0 的大小直接关系着这种编码的检错和纠错能 力。例如，上述例子表明：d0=1时，没有检、纠错能力；d0=2时，具 有检查一个差错的能力； d0=3 时， 用于检错时具有检查两个差错的能力， 用于纠错时具有纠正一个差错的能力。(1) 为检测e个错码，要求最小码距：d三e+1。换句话说，若要求检测e个错码，则最小码距d应不小于(e+1)。一种编 码的最小码距为d，则将能检测(d -1)个错码。0(2) 为纠正t个错码；要求最小码距：d021+1。即：为了纠正t个错码， 最小码距应不小于(2t+1)。(3) 为纠正t个错码，同时检测e个错码，要求最小码距：d 三e+1+1 (et)25 奇偶校验码输入信息比特为S1, S2, S3，校验比特为C1, C2；校验的规则为C1=S1 S3, C2=S 13S2S3。现在如果输入的发送信息比特为101，那么经过奇偶校 验码生成的校验序列中，C1=1， C2=0，则发送的信息序列为1011026 卷积码也是分组的， 但它的监督元不仅与本组的信息元有关， 而且还与前若干组的信息元有关。(3，1)卷积码编码器，码长为 3，其中信息元只占 1 位，构成卷积码的一 个分组(即 1 个码字)， 称作(3,1)卷积码。图 4 - 17 所示为(2， 1)卷积码、 约束长度 k=2 的编码器和解码器， 它 可在 4 比特范围内纠正一个差错。图4 - 17(a)为编码器，每输入一个信息元叫)，编码输出为mj. Pj，其 中p.为：P = mm，式中m为m之前的信息元。假定输入信息元序列为 100(1 为先输入)， 经过编码输出为 110100(其中 1 为最先输出)。 下面具体分析它的编码过程。编码开始前，先对移位寄存器进行复位(即置 0)。当输入第 1 个信息元“1” 时，输出为1，由于P=10=1,输出开关接到P.，输出又为1。输出端开 关速率是信息元速率的两倍， 即每输入一个信息元， 开关同步地转换一次。 因 此， 上述过程可写成：输入m.=1, pj=10=1,所以输出为11；输入m =0，p =mm=01=1，所以输出为01；27 交织编码主要用来纠正突发差错，即使突发差错分散成为随机差错而得 到纠正。28 移动通信的空中接口协议和信令是按照分层的概念来设计的。 空中接口 包括：P1791801、无线物理层：确定无线电参数，负责数据的收发。2、链路层：进一步分为：1 ）介质接入控制层（ MAC ）：介质访问管理和数据封装2 ）数据链路层：为网络层提供可靠的数据链路3、网络层：信令层。29 4 种多址方式的概念5.2.1 频分多址（F DMA）P181 频分多址是指将给定的频谱资源划分为若干个等间隔的频道 （或称信道）供 不同的用户使用。52.2时分多址（TDMA） P186最后两行 时分多址是指把时间分割成周期性的帧， 每一帧再分割成若干个时隙，无 论帧或时隙都是互不重叠的5.2.3 码分多址（CDMA） P1885.2.4 空分多址（SDMA） P191 空分多址是通过空间的分割来区别不同的用户。 在移动通信中， 能实现空间分割的基本技术就是采用自适应阵列天线， 在不同的用户方向上形成不同的 波束，。30 在话音通信中，业务量的大小用话务量来量度。话务量又分为流入话务 量和完成话务量。P181182可定义流入话务量A为：A = S 久（5 - 1）式中：入的单位是（次/小时）；S的单位是（小时/次）；A应是一个无量纲的 量，专门命名它的单位为“爱尔兰”（Erlang）。“爱尔兰”的含意：已知1小时内平均发生呼叫的次数为入（次），用式（5 - 1） 可求得A（爱尔兰）=S（小时/次） 2 （次/小时）A是平均1小时内所有呼叫需占用信道的总小时数。因此，1爱尔兰就表示平均 每小时内用户要求通话的时间为1小例如，全通信网平均每小时发生20次呼叫，即入二20（次/小时） 平均每次呼叫的通话时间为 3 分钟， 即1S = 3（分/次）=一（小时/次）20代入式（5-1）， 可得1A = 20 = 1爱尔兰20这就表示， 1 小时的平均呼叫 20 次所要求的总通话时间为 1 小时，所以流入话 务量等于 1 爱尔兰。31 用户忙时的话务量与用户数 P185每个用户在 24小时内的话务量分布是不均匀的，网络设计应按最忙时 的话务量来进行计算。最忙 1 小时内的话务量与全天话务量之比称为集中系数， 用 k 表示，一般 k=10%15% 。每个用户的忙时话务量需用统计的办法确定。设通信网中每一用户每天平均呼叫次数为C(次/天),每次呼叫的平均 占用信道时间为T(秒/次)，集中系数为k,则每用户的忙时话务量为 a = C - T - k - 13600 例如：某移动通信系统，每天每个用户平均呼叫 10 次，每次占用信道平均时间 为80s，呼损率要求10%，忙时集中率k=0.125,问给定8个信道能容纳多少用 户？ 解：(1)利用爱尔兰损失概率表，查表求得：A=5.597Erl(2) 求每个用户忙时话务量：a = C-T -k - - = 10x80x0.125x-36003600=0.0278Erl / 用户 (3) 每个信道能容纳的用户数：m =仏=5.597= 25.1865a8 x 0.0278(4) 系统所能容纳的用户数：m x n = 25.1865 x 8 二 201.49232 根据无线服务区的形状，可将服务区域划分为 带状服务区 面状服务区33 蜂窝网 P194(1) 小区的形状 根据交叠情况不同，有效覆盖区可为正三角形、正方形或正六边形，小区形状如图 5-11 所示。可以证明，要用正多边形无空隙、无重叠地覆盖一个平面 的区域， 可取的形状只有这三种。那么这三种形状中哪一种最好呢? 正六边形。(2) 中心激励与顶点激励在每个小区中， 基站可设在小区的中央， 用全向天线形成圆形覆盖区， 这 就是所谓“中心激励”方式，如图5 - 14(a)所示。也可以将基站设计在每个小区六边形的三个顶点上， 每个基站采用三副 120扇形辐射的定向天线， 分别覆盖三个相邻小区的各三分之一区域， 每个 小区由三副 120扇形天线共同覆盖， 这就是所谓“顶点激励”方式， 如图 5 -14(b)所示。(3) 小区的分裂：用于提供蜂窝网容量及频谱效率。34 一个典型的数字蜂窝移动通信系统由下列组成：移动台(MS)基站分系统(BSS)(包括基站收发信机(BTS)和基站控制器(BSC)移动交换中心(MSC)原籍(归属)位置寄存器(HLR)访问位置寄存器(VLR)A设备标识寄存器(EIR)认证中心(AUC)操作维护中心(OMC)。MSC 为移动交换中心， 它是无线电系统与公众电话交换网之间的接口设 备， 完成全部必须的信令功能以建立与移动台的往来呼叫。35 P204 信令是与通信有关的一系列控制信号。 诸如一般电话网中必不可少的摘机、挂机、忙音、拨号等以及无线通信网中 所需的频道分配。用户登记管理、呼叫应答等信号。信令的作用是保证用户信息有效而且可靠的传输。因此，信令可以看作时候 整个通信网络的神经中枢，其性能在很大程度上决定了一个通信网络为用户提供 服务的能量和质量。36 P210常用的网络信令就是7号信令(SS7),它主要用于交换机之间、交 换机与数据库(如HLR、VLR、AUC)之间交换信息。37 越区(过区)切换(Handover或Handoff)是指将当前正在进行的移动台与 基站之间的通信链路从当前基站转移到另一个基站的过程。 P213越区切换分为两大类：P214 一类是硬切换是指在新的连接建立以前， 先中断旧的连接。 另一类是软切换是指既维持旧的连接，又同时建立新的连接，并利用 新旧链路的分集合并来改善通信质量，当与新基站建立可靠连接之后再中断旧链 路。第六章：频分多址(FDMA)模拟蜂窝网38 由图 6-1 可见， 蜂窝网移动电话系统本身由三大部分组成， 即移动电话交换局(MTSO)、基站(BS)和移动台(MS)。其中，MTSO(或MSC)是基站与市话网之间的接口， 是蜂窝网控制中心， 它不仅具有一般程控交换机 所具有的交换、控制功能，还具有适应移动通信特点的移动性管理功能，以 完成移动用户主呼或被呼所必需的控制。第七章：时分多址(TDMA)数字蜂窝网39 P229 GSM 蜂窝系统的网络结构如图7-1 所示。由图可见， GSM 蜂窝系 统的主要组成部分可分为移动台、 基站子系统和网络子系统。基站子系统(简称基站BS)由基站收发台(BTS)和基站控制器(BSC)组成；网 络子系统由移动交换中心(MSC)、操作维护中心(OMC)、原籍位置寄存器(HLR)、 访问位置寄存器(VLR)、鉴权中心(AUC)和移动设备识别寄存器(EIR)等组成。一个MSC可管理多达几十个基站控制器，一个基站控制器最多可控制256个 BTS。由MS、BS和网络子系统构成公用陆地移动通信网，该网络由MSC与公用交 换电话网(PSTN)、综合业务数字网(ISDN)和公用数据网(PDN)进行互连。40 1.移动台MS通过无线接口接入GSM系统，具有无线传输与处理功能。2. 基站子系统(BSS)基站子系统(BSS)是GSM系统的基本组成部分。它通过无线接口与移动台相 接，进行无线发送、接收及无线资源管理。 另一方面，基站子系统与网络子系 统(NSS)中的移动交换中心(MSC)相连，实现移动用户与固定网络用户之间或移动 用户之间的通信连接。3. 网络子系统(NSS)网络子系统对GSM移动用户之间通信和移动用户与其它通信网用户之间通信 起着管理作用。 其主要功能包括： 交换、 移动性管理与安全性管理等。 NSS 由很多功能实体构成，它们之间的信令传输都符合CCITT信令系统7号协议。 下面分别讨论各功能实体的主要功能。41 GPRS一通用分组无线业务P270 第八章：码分多址(CDMA)移动通信系统(一)42 811码分多址的特征P279在CDMA通信系统中，不同用户传输信息所用的信号不是靠频率不同或时隙 不同来区分的， 而是用各不相同的编码序列来区分的。换句话说， 是靠信号 的不同波形来区分的。如果从频域或时域来观察，多个CDMA信号是互相重叠 的，接收机用相关器可以在多个CDMA信号中选出其中使用预定码型的信号。(1) 根据理论分析，CDMA蜂窝系统与模拟蜂窝系统或TDMA数字蜂窝系统相 比具有更大的通信容量。(2) CDMA蜂窝系统以扩频技术为基础，因而它具有扩频通信系统所固有的 优点，如抗干扰、 抗多径衰落和具有保密性等。第九章：码分多址(CDMA)移动通信系统(二)43 P363表9-4对WCDMA、TD-SCDMA和cdma 2000三种主流3G标准的主要 技术性能进行了比较。其中仅有TD-SCDMA使用了智能天线、联合检测和同步 CDMA等先进技术，因此在系统容量、频谱利用率和抗干扰能力等方面具有突 出的优势。第十章：移动通信的展望44 移动通信的发展： 纵观移动通信的发展历程，当代移动通信可分为四个阶段：(1) 第一代移动通信以模拟调频、 频分多址为主体技术， 包括以蜂窝 网系统为代表的公用移动通信系统、 以集群系统为代表的专用移动通信系统以 及无绳电话, 主要向用户提供模拟话音业务。(2) 第二代移动通信以数字传输、时分多址或码分多址为主体技术，简称数 字移动通信，包括数字蜂窝系统、数字无绳电话系统和数字集群系统等，主要向 用户提供数字话音业务和低速数据业务。(3) 第三代(3G)移动通信以CDMA为主要技术，向用户提供2 Mb/s到10 Mb/s 的多媒体业务。(4) 超(后)三代(B3G)或第四代(4G)移动通信的研究和开发，采用OFDM 和多天线等新技术，将向用户提供100 Mb/s甚至1 Gb/s的数据速率。45 5W：长期以来， 人们就有一种美好的愿望： 未来总有一天会做到无论任何人 (Whoever)在任何时候(Whenever)和任何地点(Wherever)都能和另一个人 (Whomever)进行任何方式(Whatever)的通信。以往，人们曾把这种愿望称之为幻想，然而随着科学技术的发展，这种愿 望已经不是幻想， 而是可以实现的了。人们把这种向往中的通信称为“个人通 信” 而把实现个人通信的网络称之为个人通信网(PCN)。P369103未来移动通信中的关键技术P37510.3.1自适应编码调制技术：可变速率调制技术、自适应编码调制P377 10.3.2多输入多输出技术P37810.3.3软件无线电P383